16 3D模型的表示与存储

在计算机图形学的领域，3D模型是实现三维场景和视觉效果的基石。本篇文章将详细探讨3D模型的表示与存储方法，继续上一篇关于纹理映射的讨论，并为下一篇关于建模技术与工具的内容铺垫基础。

3D模型的基本概念

在计算机图形学中，3D模型通常由以下几个要素组成：

1. 几何形状 - 描述物体的形状和结构。
2. 表面属性 - 包括颜色、材料、光泽等。
3. 拓扑信息 - 描述顶点、边和面的连接关系。
4. 纹理信息 - 可以使用纹理映射来增强模型的视觉效果。

3D模型的表示方法

3D模型可以通过多种方式表示。最常见的方法包括以下几种：

1. 顶点缓冲区对象（VBO）

VBO是一种直接在显存中存储顶点数据的方法，能够提高渲染效率。数据通常以数组的形式存储，包括每个顶点的坐标、法线、纹理坐标等。

示例代码：

GLuint VBO;
glGenBuffers(1, &VBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

2. 网格（Mesh）

网格是最常见的3D模型表示形式，通常由一些三角形拼接而成。每个三角形由三个顶点表示，每个顶点包含位置、法线和纹理坐标等信息。

示例： 一个简单的立方体网格可以很容易地用三角形定义：

Vertices:
(1, 1, 1),  (1, 1, -1),  (1, -1, 1),  (1, -1, -1),  
(-1, 1, 1), (-1, 1, -1), (-1, -1, 1), (-1, -1, -1)

Faces:
(0, 1, 2), (2, 1, 3), (4, 5, 6), (6, 5, 7), ...

3. 多边形网格（Polygon Mesh）

多边形网格是用多边形构建三维形状的另一种方法，通常通过面片的方式表示，并且可以包含多种类型的面，如三角形、四边形等。

数据存储格式

3D模型的数据存储格式多种多样，常见的格式包括：

1. OBJ格式

OBJ文件格式是一种简单的、面向文本的文件格式，广泛用于传输3D模型数据。它便于人类读取和修改。

# A vertex
v 1.0 1.0 1.0
# A texture coordinate
vt 0.0 1.0
# A normal vector
vn 0.0 0.0 1.0
# A face
f 1/1/1 2/2/1 3/3/1

2. GLTF格式

GLTF（GL Transmission Format）是一种专为网络应用优化的格式，支持PBR（Physically Based Rendering）特性。它是一种JSON格式，能够高效地描述复杂的3D模型及其对应的纹理和材质。

3. FBX格式

FBX是一种二进制格式，常用于高级建模和动画软件之间的传输。它支持复杂的动画、骨骼、材质等信息。

存储与加载3D模型的流程

在实践中，将3D模型存储、加载和渲染的流程如下：

1. 模型导出：从建模工具导出模型为指定格式，如OBJ或GLTF。
2. 数据读取：编写代码以读取文件，解析其中的数据。
3. 数据传输：将解析后的数据传输到GPU中，准备渲染。

示例代码：读取OBJ模型

void LoadOBJ(const char* filename) {
    std::ifstream file(filename);
    std::string line;
    while (getline(file, line)) {
        // 解析顶点、纹理坐标和法线
        if (line.substr(0, 2) == "v ") {
            // 处理顶点
        } else if (line.substr(0, 3) == "vt ") {
            // 处理纹理坐标
        }
    }
}

结论

本篇文章对3D模型的表示与存储进行了全面的探讨，从几何结构到数据存储格式，提供了丰富的案例和代码示例。理解这些基本概念和技术将为后续的建模技术与工具的学习奠定坚实的基础。在下一篇中，我们将探讨更复杂的建模技术与工具，以便创造出更为精美和详细的3D场景和效果。